参数化设计在多体船最优船型设计的应用

NURBS 曲线具有以下特点：
1） 局部不变性
关键词：多体船；船型设计；NURBS 样条曲线；数学模型
中图分类号：U661.4 文献标识码：A
文章编号： 1672 – 7649(2019)8A – 0004 – 03
doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2019.8A.002
Application of parametric design in optimal ship form design of multi-hull ships
Key words: multi-hull ship；ship form design；NURBS spline curve；mathematical model
0 引 言
随着船舶工业的不断进步，各种类型的船舶被不 断开发和设计出来，不同于传统的单体船，多体船是 指由 2 个或 2 个以上的尺寸相同的船体共同组成为一 体，常见的多体船类型包括双体船、三体船等。相对 于传统船舶，多体船的优点包括：1） 多体船的流体 动力学性能更好，具有更小的兴波阻力，因此，在燃 油效率和航行控制等方面更有优势；2） 多体船具有 更好的适航性，由于甲板的面积更大，多体船的舱室 布置更加合理；3）多体船的隐蔽性好，承受冲击能力 更强。正是因为这些优点，多体船在军事领域获得了 成功的应用。
与此同时，多体船也存在着一些缺点，比如船型 设计难度大、船体结构复杂、机动性差等。因此，多
体船的船型设计是船舶领域的研究热点。本文研究的 主要内容是多体船船型设计过程的参数化，将参数化 设计理论应用于多体船的结构设计，并在三维建模软 件 CATIA 中进行多体船的参数化船型优化。
1 船型优化与 NURBS 曲线
第 41 卷 第 8A 期 2019 年 8 月
舰船科学技术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol. 41, No. 8A Aug. , 2019
参数化设计在多体船最优船型设计的应用
刘伟莲1,2 (1. 石家庄职业技术学院，河北 石家庄 050000；2. 北京理工大学机电学院，北京 100081)
摘 要: 相对于传统的单体船，多体船具有更好的波浪耐受性和稳定性，具有非常广阔的应用前景。与此同 时，多体船的船型设计相对于单体船更加复杂，设计参数更多。为了提高多体船的船型设计效率，本文基于参数化 设计技术，对多体船的最优船型设计进行研究，建立了多体船的数学模型，并结合 NURBS 样条曲线和 CATIA 进行 了多体船的最优船型设计。
船型优化涉及大量的特征参数和特征曲线信息， 不同的船型之间特征参数和特征曲线有很大的差异。 常见的特征参数包括船舶的型宽、型深、吃水、舱部 半径等；常见的特征曲线包括船舱轮廓线、设计水 线、甲板切点线等。研究船舶的参数化设计，必须要 对船型的特征参数和特征曲线进行参数化设计。
NURBS 曲线是一种常用的船型设计曲线，该曲线 的表达式如下：
LIU Wei-lian1,2 (1. ShiJiaZhuang University of Applied Technology, Shijiazhuang 050000; 2. Beijing Institute of Technolog, Beijing 100081, China)
Abstract: Compared with traditional monohull ships, multi-hull ships have better wave tolerance and stability, and have very broad application prospects. At the same time, the hull design of multi-hull ship is more complex and has more design parameters than that of single hull ship. In order to improve the efficiency of multi-hull ship form design, based on parametric design technology, this paper studies the optimal hull form design of multi-hull ship, establishes the mathematical model of multi-hull ship, and combines NURBS spline curve and catia to carry out the optimal hull form design of multi-hull ship.
∑n
,
wiNi, j (u)
i=0
式 中 ： wi 为 曲 线 的 特 征 值 ，di为 NURBS 的 权 因 子 ，
di
∈
(0,
1)
，Ni,
j
(u)
为节点矢量，Ni,
j
(u)
=[u0,
u1
,ຫໍສະໝຸດ Baidu
·
·
·
,
] ui 。
以圆弧为例，NURBS 曲线如图 1 所示。
图 2 船体型线设计的坐标系图 Fig. 2 Coordinate system for hull profile design
收稿日期: 2019 – 07 – 01 基金项目: 河北省教育厅院长基金项目 (19YJ1001) 作者简介: 刘伟莲 (1981 – )，女，硕士，讲师，主要从事机电传感与检测研究。
第 41 卷
刘伟莲：参数化设计在多体船最优船型设计的应用
·5·
∑n
widiNi, j (u)
p¯ (m) =
i=0
在该坐标系下，建立海水的流场势能公式： ψ (x, y, z) = −kv0 + φc,
式 中 ， v0为 当 前 海 水 的 平 均 流 动 速 度 ， φc为 扰 动 势 能 。 根据图 2 船体的轮廓线，建立船体龙骨线的表达
式如下：
图 1 圆弧的二次 NURBS 曲线 Fig. 1 Quadratic NURBS curve of arc